一、引言
氣壓機和空壓機在石化行業(yè)應用十分普遍。氣壓機是將煉化過程中產(chǎn)生的石油氣加壓液化回收，空壓機則為企業(yè)提供生產(chǎn)用氣。由于石化企業(yè)的生產(chǎn)是連續(xù)不間斷的，因此要求氣壓機和空壓機常年連續(xù)運行，如果停止運行，輕則影響生產(chǎn)，重則造成設(shè)備及人身事故。
在設(shè)計選用氣壓機和空壓機的電動機容量時，通常是按設(shè)備滿負荷長時間運行來選擇的，故設(shè)計容量一般都偏大。在實際運行中電動機的負載率偏低，且輕載運行的時間所占比例很大。如采用變頻調(diào)速運行，則可大大提高電動機的運行效率，達到節(jié)能的效果，并可減小機械的磨損，延長設(shè)備的壽命。
對于氣壓機，為了防止入口壓力過低造成氣壓機喘振，一般通過反飛動閥向入口側(cè)反送氣，造成重復作功而浪費大量電能。采用變頻調(diào)速后，可以通過調(diào)整氣壓機的轉(zhuǎn)速來保持入口壓力恒定在設(shè)定的范圍內(nèi)運行，不開火炬閥和反飛動閥，保證最佳的節(jié)能效果。
對于空壓機，一般采用調(diào)整出口門開度來調(diào)整出口壓力，當出口門開度減小時，電動機的運行功率減小并不多，空壓機運行在低效狀態(tài)，同樣造成大量電能浪費。如果用變頻器調(diào)速，則可根據(jù)需要的用氣量動態(tài)調(diào)節(jié)空壓機的出口壓力恒定，提高了空壓機的運行效率，達到節(jié)能的目的。
二、空壓機變頻調(diào)速節(jié)能改造
寧夏寶塔石化集團公司一廠有活塞式空壓機三臺，制氣量為40m3/h和20m3/h；電動機功率分別為250kW一臺，130kW兩臺。每臺空壓機出口有氣壓罐，通過閥門連接到總氣管上。氣壓罐上裝有自動放氣閥，在氣壓過高時可自動開啟放氣閥以保證空壓機的安全。要求出口壓力不小于0.45MPa，大于0.5MPa時自動排空。根據(jù)生產(chǎn)用氣量的變化，一般運行一臺大機或運行兩臺小機即可滿足生產(chǎn)用氣的需要；在用氣高峰期，短時運行一大一小兩臺空壓機。
在空壓機的運行中有四大問題是用戶一直致力解決的：
(1) 如何提高供氣質(zhì)量 (2) 如何節(jié)約高額的電費開支 (3) 如何降低工作環(huán)境的噪音 (4) 如何延長空壓機的使用壽命（檢修周期）
2.1 原空壓機電控系統(tǒng)的缺點
1、空壓機電動機采用星/三角起動方式，起動電流大，對設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊大
2、供氣壓力主要靠增減空壓機的運行臺數(shù)來調(diào)整，供氣質(zhì)量差。為了避免氣壓機的頻繁起停，當少開一臺空壓機時，供氣壓力偏低，不能滿足生產(chǎn)用氣的要求；多開一臺時，供氣壓力又偏高，電耗高，供氣成本高。
3、由于空壓機全速運轉(zhuǎn)，且要用出口閥門調(diào)整供氣壓力，造成空壓機房噪聲大。
4、系統(tǒng)排氣壓力高，管徑的配置達不到空壓機氣體的流速要求，造成管路壓降偏高，減荷能耗大。
2.2 變頻恒壓供氣系統(tǒng)設(shè)計和工作原理
通過對三臺空壓機進行變頻調(diào)速節(jié)能改造，能夠穩(wěn)定供氣管網(wǎng)的壓力，達到恒壓供氣的目的。既降低了供氣能耗，又降低了空壓機房的噪音，也延長了設(shè)備的使用壽命。
每臺空壓機采用一臺變頻器驅(qū)動，采用一拖一帶工頻旁路設(shè)計方案。當變頻器故障時，空壓機可切換到工頻旁路運行，以保證供氣系統(tǒng)的可靠性。
恒壓供氣控制由系統(tǒng)DCS完成：由儲氣罐壓力傳感器向DCS提供壓力信號，與控制臺的壓力設(shè)定信號進行比較后經(jīng)PID運算，向變頻器送出頻率指令信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制空壓機的轉(zhuǎn)速，達到恒壓供氣的目的。DCS系統(tǒng)送出的頻率指令信號為4~20mA電流信號，相對于0~100%調(diào)速范圍。由于變頻器電流信號輸入端子的阻抗為250Ω，若將三臺變頻器的信號端子串聯(lián)，總阻抗為750Ω，超出了DCS輸出信號的負載能力，所以采用一只500Ω標準電阻，將4~20mA電流信號轉(zhuǎn)換成2~10V電壓信號，再并聯(lián)接到三臺變頻器的電壓信號輸入端子VG，讓三臺變頻器同步運行，且任何一臺都可以隨時投入和退出運行。
2.3 變頻恒壓供氣系統(tǒng)功能和節(jié)能效果
1、三臺空壓機全部采用變頻驅(qū)動，且同步運行，可實現(xiàn)最大限度的節(jié)能效果；
2、根據(jù)儲氣罐壓力，DCS系統(tǒng)自動判斷開停空壓機的臺數(shù)和大小，并自動開停機；
3、全部機組實現(xiàn)了軟起停，大大減小了起動電流，避免了對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命；
4、每臺機組具備變頻和工頻運行雙功能，當變頻器故障時可以切換到工頻運行，保證供氣的可靠性；
5、供氣壓力設(shè)定值可根據(jù)實際生產(chǎn)情況由用戶隨時在DCS操作臺上修改，操作簡單；
6、恒壓氣確保管網(wǎng)不受壓力突變的沖擊，延長了管網(wǎng)的使用壽命，降低了維修成本；
7、具有完善的保護措施（過流、過壓、過載、過熱及電機相間和對地短路等），且變頻器具有自診斷功能，使系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)率和可靠性大大提高；
8、變頻空壓機一般運行頻率為35~40Hz之間，其節(jié)能率在20~30%之間。
2.4 空壓機變頻調(diào)速改造過程中應注意的問題
1、由于活塞式空氣壓縮機的轉(zhuǎn)動慣量大（帶有大飛輪），在選用變頻器時應根據(jù)實際運行電流和具體的運行工況條件來確定變頻器的容量，且應根據(jù)空壓機的負載性質(zhì)選用G型（通用型）變頻器。
2、應考慮壓力傳感器的安裝位置，應在滿足生產(chǎn)用氣需要的前提下，實現(xiàn)最大限度的節(jié)能效果；壓力傳感器和頻率指令應采用4~20mA標準信號，抗干擾能力強，信號線要采用雙芯屏蔽電纜；
3、變頻器的控制系統(tǒng)在應設(shè)有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制模式，以便于在調(diào)試和特殊情況下使用；
4、在活塞式空氣壓縮機的調(diào)試中應嚴格注意電動機的轉(zhuǎn)向，應脫開離合器先驗證在變頻器驅(qū)動時的電動機轉(zhuǎn)向，使其按規(guī)定的方向旋轉(zhuǎn)，嚴禁電機反向運轉(zhuǎn)，避免造成主機設(shè)備的重大損失；
5、由于空氣壓縮機不允許長期在低速狀態(tài)工作，在低速下運行不僅穩(wěn)定性差，容易發(fā)生喘振；另一方面，如果轉(zhuǎn)速過低，潤滑油壓過低（<0.2MPa），會使缸體的磨損加快，同時要保證足夠的出口壓力，故應在正式投運前設(shè)定合理的、安全的工作頻率下限值。
三、氣壓機變頻調(diào)速節(jié)能改造
寧夏寶塔石化集團公司石化一廠有活塞式氣壓機三臺，電動機功率均無160kW。其作用是將煉化過程中產(chǎn)生的石油氣加壓 液化回收。一般運行兩臺氣壓機已能滿足生產(chǎn)的需要，另一臺維修備用。
由于煉化過程中產(chǎn)生的石油氣的數(shù)量是變化的，因而氣壓機的入口壓力PT1也是變化的。為了防止因入口壓力過低而引起氣壓機喘振，一般通過反飛動閥PV2從出口側(cè)向入口側(cè)反送氣，造成重復作功而浪費大量的電能。當入口壓力過高時則要打開火炬閥PV1排空燃燒，以保證設(shè)備的安全，但也造成了能源的浪費。采用變頻調(diào)速以后，可以通過調(diào)整氣壓機的轉(zhuǎn)速來維持入口壓力的恒定，關(guān)閉反飛動閥，并盡量避免開火炬閥，以實現(xiàn)最佳的節(jié)效果。
3.1 氣壓機運行工藝要求
PT1=0.03~0.08MPa工作正常，通過調(diào)整反飛動閥的開度調(diào)節(jié)入口壓力
PT1<0.03MPa 開反飛動閥
PT1>0.08MPa 打開火炬閥
PT2=0.9~1.6MPa 工作正常
3.2 氣壓機變頻調(diào)速節(jié)能改造方案
考慮到三臺氣壓機平時二用一備，為了節(jié)省投資，所以采用兩臺變頻器對氣壓機進行節(jié)能改造，主回路采用二拖三控制方案：如下圖
1、 T1，T2，T3為原控制柜空開，保留不變
2、 T4，T5為新增兩臺變頻器隔離開關(guān)
3、 1ZJ，2ZJ為新增兩臺變頻器自動開關(guān)，當變頻器故障時可跳此開關(guān)
4、 K1，K2為新增兩臺變頻器輸出手動切換開關(guān)(雙擲開關(guān)) K1，K2并且要在機械上實現(xiàn)互鎖 (應可解鎖)
（1） 當K1在位置1時，K2可在位置1、2、3
（2） 當K1在位置2時，K2可在位置2、3
（3） 當K2在位置2時，K1可在位置1、2
（4） 當K2在位置3時，K2可在位置1、2、3 氣壓機變頻運行組：1、2；2、3；1、3
5、 當1#變頻器故障時，除了聯(lián)跳變頻器電源自動開關(guān)1ZJ外，隔離開關(guān)T4也應打掉，并且輸出切換開關(guān)應在位置2，變頻器2只能帶3#氣壓機工作，1#、2#氣壓機可投工頻運行。
6、 當2#變頻器故障時，操作同5款
7、 當K1、K2手動切換開關(guān)，應可實現(xiàn)機械互鎖，但也可以開鎖，以便實現(xiàn)靈活的控制功能
8、 當氣壓機變頻運行時，手動回路的隔離開關(guān)T1，T2，T3均應處于斷開狀態(tài)
但是這個方案有個缺點：當一臺變頻器因故障退出運行時，另一臺變頻器也要退出運行。因為氣壓機變、定并列工作時不好匹配，容易出現(xiàn)搶風和回流現(xiàn)象，嚴重時會引起氣壓機喘振，不象水泵裝有逆止閥可以防止回流。
最佳方案是每臺氣壓機配一臺變頻器，均采用一拖一帶工頻備用的結(jié)線方案。這樣，無論是某一臺氣壓機故障，或某一臺變頻器故障，都能保證有兩臺氣壓機變頻運行，收到最好的節(jié)能改造效果。
3.3 氣壓機變頻調(diào)速控制原理
氣壓機的閉環(huán)控制由DCS系統(tǒng)實現(xiàn)，以氣壓機的入口壓力PT1作為主調(diào)節(jié)參數(shù)，保證PT1在0.03~0.08MPa范圍內(nèi)，使系統(tǒng)能正常工作，不開火炬閥和反飛動閥，保證實現(xiàn)最佳節(jié)能效果。同時兼顧PT2在0.9~1.6MPa范圍之內(nèi)（由最低限制頻率保證）。變頻器接受DCS系統(tǒng)誤差送出的頻率指令信號（4~20mA），采用電流信號（IG）輸入方式，兩臺變頻器串聯(lián)。
變頻氣壓機必須同步運行（相同的轉(zhuǎn)速），以保證出口壓力一致，才能避免氣壓機的搶風和回流現(xiàn)象發(fā)生，以防止氣壓機喘振。
3.4 氣壓機變頻調(diào)速改造過程中應注意的問題
氣壓機在變頻調(diào)速節(jié)能改造過程中除了有空壓機相同的問題需要注意外，要進行變頻器最低工作頻率的試驗設(shè)定時，除了滿足氣壓機潤滑油壓的要求外，還要滿足氣壓機出口壓力PT2不小于0.9MPa的要求。
（注意：試驗應在兩臺氣壓機變頻運行時進行）
當兩臺氣壓機變頻運行時，其工作頻率在35~40Hz之間已能滿足生產(chǎn)要求，節(jié)電率在20~30%。
四、結(jié)語
實踐證明，微能大功率變頻器用于石化行業(yè)壓力變化范圍大的氣壓機和多機并聯(lián)運行恒壓供氣的空壓機的節(jié)能改造是非常理想的，也是十分成功的，取得了良好的節(jié)能效果。隨著用戶對變頻器的使用經(jīng)驗和接受程度的提高，變頻器在石化行業(yè)有著更加廣泛的應用領(lǐng)域。
